Wenn Holz geschweisst wird

Wenn Holz geschweisst wird

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Teaserbild-Quelle: zvg
Zum innovativen Bauen mit Holz gehören die Be-reiche Fügen und Materialverbund. Eine Form ist das Verschweissen von Holzelementen, das an der Berner Fachhochschule weiter entwickelt wurde.
 
 
Zum Thema Fügen gibt es zwei unterschiedliche Betrachtungsweisen: Zum einen ermöglicht Holz eine statisch nachweisbare Verschraubung im Materialvolumen selbst. Somit kann für viele Schraubverbindungen ein aufwendiges Gewindeschneiden, das Kontern mittels Gegenmutter oder sogar das Vorbohren des Materials entfallen. Die einfachen Möglichkeiten der Verschraubung von Holz als wieder lösbare Verbindung prädestinieren das Material für die Disziplin des Reengineering und damit für die mögliche Wieder- beziehungsweise Weiterverwendung von hölzernen Bauteilen oder Halbzeugen. Eine andere Form der (dauerhaften) Fügung ist das Verschweissen von Holzelementen, ein Verfahren, das an der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau (BFH-AHB) in der Forschungseinheit Werkstoffe und Holztechnologie entwickelt wurde. Beim Linearschweissverfahren werden zwei Holzelemente so gegeneinander gerieben, dass das holzeigene Bindemittel Lignin an den Reibungsflächen aufschmilzt. Wird der Prozess an geeigneter Stelle abgebrochen, plastifiziert das Lignin wieder und verbindet sich mit den umgebenden Holzfasern. Es entsteht eine hochfeste Verbindung beider Elemente, die sich unter dem Mikroskop als eine flächig verdichtete Holzstruktur zeigt. An der BFH-AHB wurden zu diesem Verfahren eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, die verschiedene Parameter variierten. So wurden unterschiedliche Ausgangsmaterialien wie Kanthölzer, Furnierschichthölzer, Span- oder Faserplatten verschweisst, wobei auch die Ausrichtung der einzelnen Lagen zur Verbindungsfläche variiert wurde. Daneben galt der geometrischen Ausbildung der Verbindungsfuge Aufmerksamkeit: Der glatte, stumpfe Stoss, die Ausbildung als gezackte Fuge und verschiedene eingeschweisste Federverbindungen wurden untersucht. Als noch zu lösende Probleme zeigten sich die nicht ausreichende Feuchtigkeitsresistenz der Verbindung und die durch die Anlagentechnik bislang begrenzten Abmessungen der zu verschweissenden Elemente.

Ein leichtes Snowboard

Als erste Anwendung im Objektbereich wurde mit einer Firma der Holzkern für das weltweit leichteste serienmässige Snowboard entwickelt. Der mit Kunststoff ummantelte Kern aus verschweissten Holzlamellen weist dabei eine besonders steife, rippenartige Struktur auf, die durch die Verdichtung an den längs verlaufenden Schweissflächen entsteht. Auf der Mailänder Möbelmesse 2009 präsentierte das Designteam PostFossil Prototypen von Möbeln, die keine Schraub- oder Leimverbindungen aufweisen. Der Sessel und der Tisch, die in Zusammenarbeit mit der BFH-AHB hergestellt wurden, wurden ausschliesslich mit verschweissten Verbindungen realisiert und zeigen eine eigene Materialsprache. Die Zukunftsvision lautet auch hier: Durch die Weiterentwicklung der Technologie soll Bauteilgrösse erreicht werden. Dazu könnten beispielsweise mechanische oder Klebeverbindungen bekannter Konstruktionen wie Brettstapel-, Dübel- oder Brettsperrholzelemente durch Schweissverbindungen substituiert werden. Dies erlaubt einstoffliche Materialkombinationen ohne Verklebung mit grossen baubiologischen und ökologischen Vorteilen.

Schichtenverbund und Hybridkonstruktion

Die Technologie des Holzschweissens kann in Zukunft eine wichtige Rolle für den Schichtenverbund von Hybridkonstruktionen einnehmen. Derartige Konstruktionen sind bislang konfrontiert mit der Fragestellung, wie der Aufbau aus einzelnen, unterschiedlichen Materialschichten nach der Nutzungsdauer des Bauteils wieder getrennt und einem Materialrecycling zugeführt werden kann. Eine Antwort könnten hier einstoffliche Verbundkonstruktionen liefern, die innerhalb der Schichten zwar das gleiche Ausgangsmaterial Holz nutzen, dieses aber in den strukturellen Eigenschaften wie Dichte, Faserausrichtung oder Holzart variieren, um den optimierten Gesamtaufbau zu liefern. Als Vorbild dienen Sandwichaufbauten aus Kunststoff, die das identische Ausgangsmaterial im Kernbereich aufgeschäumt (dämmend) und an den Oberflächen verdichtet (zug- beziehungsweise druckfest) abbilden. Möglich sind ähnliche Konstruktionen in Holz, indem die Verbindung der unterschiedlichen, hölzernen Schichten mit der Verschweissung materialhomogen erfolgen kann. Das Prinzip Holzschweissen lässt sich auch auf die Verbindung von Holz mit anderen Materialien übertragen. Dazu eignen sich insbesondere Textilien mit ihrem Aufbau aus Faserstrukturen. Das beim Schweissen aufgeschmolzene Lignin kann beim anschliessenden Plastifizieren eine gute Verbindung mit solchen Fasern erreichen. Eine mögliche Anwendung solcher Holz-Textil-Verbindungen wären Fassadenaufbauten, bei denen strukturelle Holzbauteile mit Schichten von Funktionstextilien (zum Beispiel wasserdicht, diffusionsoffen oder feuerhemmend) verschweisst werden.

Projekt für indidvuelle Bauteile

Das Forschungsprojekt 3D Betonschalung untersucht Anwendungen für geformte individuelle Bauteile, die keine Urform benötigen. Ausgangspunkt ist die Überlegung, dass Beton als giessbares Material zwar über herausragende plastische Möglichkeiten verfügt, hierzu aber immer einer Form beziehungsweise Schalung bedarf. Für sehr komplexe plastische Baukörper ist der Freiform-Schalungsbau, meist kleinteilig aus Einzelbrettern und handwerklich vor Ort realisiert, entsprechend aufwendig und unwirtschaftlich. Grossformatige Schalungstafeln, mittels der geschilderten Verfahren definiert verformt, können den Schalungsbau für solche freiplastischen Gebäude, die dem aktuellen Architekturtrend entsprechen, erheblich vereinfachen. Vom architektonischen Entwurf mit digitalem Modell über die Zerlegung in sinnvolle Schalungsabschnitte, dem Erzeugen von 2D-Schnittmustern/Konfektionen für die Schalungstafeln bis zur Übergabe der Daten an die CNC-Maschinen ist dabei eine durchgängig digitale Prozesskette möglich. Für dieses Forschungsprojekt könnte ein aufgeschweisstes Textil weiterhin die Funktion der Schalungshaut mit spezifischen Eigenschaften (bezüglich Elastizität, Oberflächenbeschaffenheit und so weiter) übernehmen. Andere Überlegungen zu Hybridkonstruktionen fokussieren auf bekannten Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen. Bisher wurden zum Erreichen der Verbundwirkung zwischen Holz und Beton ausschliesslich mechanische Verbindungsmittel eingesetzt. Neu werden hier Klebeverfahren untersucht mit dem Vorteil, dass die unter Belastung auftretenden Schubkräfte zwischen den Schichten gleichmässig über die ganze Fläche der Klebeverbindung verteilt werden.

Holzpetenziale

Aufgrund der weiten Verbreitung, der häufigen Anwendung im täglichen Leben und der sehr langen Tradition der Verwendung erscheint Holz zunächst als ein einfaches Material. Tatsächlich verfügt Holz über einen sehr komplexen Materialaufbau. Unter der Betrachtungsweise der Holzanatomie, die das Material vom Ausgangsprodukt des Holzstammes in immer kleineren Ausschnitten bis in den mikroskopischen Bereich und weiter bis auf molekulare Ebene untersucht, zeigt sich ein komplexes Verbundmaterial bestehend aus natürlichen Fasern und dem Bindemittel Lignin. Zukünftige Leistungspotenziale für ein derartiges Faserverbundmaterial, das im Bereich Hightech anzusiedeln ist, liegen im Bereich des Faserdesigns, der gezielten Sortierung und Ausrichtung der Fasern. Den dazu gegensätzlichen Pol bilden die Soft Skills von Holz, die einer weniger technischen als vielmehr semantischen Betrachtungsweise der Materialpotenziale entsprechen: die Vertrautheit des Materials, seine Lebendigkeit inklusive Alterung, die Haptik sowie der Klang des Materials. Zum einen Hightech Möglichkeiten, zum anderen positiv verankert auf Gefühlsebene: In dieser Bandbreite liegt die besondere Faszination des Materials Holz. (Ulrich Baierlipp)
 

Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau

Die Aktivitäten der Abteilung Forschung und Entwicklung sind auf die Prozesse im Zusammenhang mit Planen und Bauen, Holzbau und Holzprodukten sowie Geotechnik und Wasserbau fokussiert. Diese Prozesse übernehmen eine Querfunktion durch die drei Kompetenzzentren:
 
  • Planungs-, Bau- und Fertigungsprozesse mit den Forschungseinheiten Architekturprozesse, Management und Bauprozesse sowie Produktion und Logistik
  • Holztechnik und Verbundbau mit den Forschungseinheiten Werkstoffe und Holztechnologie, Holz- und Verbundbau sowie Fassadenelemente, Innenausbau und Möbel
  • Naturereignisse und Geotechnik mit der gleichnamigen Forschungseinheit
Ergänzend werden drei Masterstudiengänge angeboten, die in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Forschung und Entwicklung weitere Synergien generieren:
 
  • Joint Master of Architecture mit dem Basisthema nachhaltige Architektur in Holz
  • Master of Engineering in Holztechnik als spezifische Vertiefung in der gesamten Bandbreite des Roh-, Werk- und Baustoffes Holz
  • Master of Science in Engineering als Bauingenieursmaster mit Bezug zum Thema Holz